Tradicionalmente, los ingenieros utilizaron planchas de cobre simple para quitar el calor y ventiladores o sistemas de enfriamiento a base de líquidos. Pero esos sistemas son voluminosos y pueden minar el consumo.
Ahora, los investigadores en Intel, RTI Inte acional de Carolina del Norte y la Arizona State University demostraron que es posible construir un micro-enfriador eficiente que puede tener como meta los puntos calientes de los chips, ahorrando energía y espacio, y enfriando todo el sistema más eficientemente. Su trabajo también demuestra que es posible integrar material termoeléctrico en el formato del chip, haciendo que la tecnología sea mucho más práctica que antes. Se acaba de publicar un artículo que detalla la investigación en Nature Nanotechnology.
La tecnología fundamental que se utiliza para enfriar el chip, un enfriador termoeléctrico, no es nueva, explica Rama Venkatasubramanian, director senior de investigación en, el Center for Solid State Energetics en RTI Inte acional. En un artículo de Nature de 2001, él y su equipo mostraron que un material llamado súper-entramado nanoestructurado de película delgada tiene propiedades térmicas superiores a otros tipos de materiales termoeléctricos delgados: el súper-entramado conduce electricidad bien pero impide el flujo del calor. Cuando una corriente eléctrica atraviesa el material, su temperatura puede descender a 55ª C.
“Las personas estuvieron hablando durante años de utilizar materiales termoeléctricos de alta eficiencia para enfriar los puntos calientes de los chips”, dice Ravi Prasher, gerente de Intel. Él dice que parte de la razón por la cual sus colegas y él pudieron lograrlo fue porque utilizaron un material que mostró tener propiedades térmicas excepcionales, y confiaron en el conocimiento de Intel sobre el formato del chip para construir un sistema termoeléctrico integrado manipulado para encajar dentro de los confines del soporte del chip.
Para integrar el micro-enfriador al formato del chip, los ingenieros integraron el enfriador a un cuadrado de cobre, al igual que el tipo que ya se usa en el formato del chip para dispersar el calor. Este trozo de cobre generalmente está en contacto estrecho con el chip, pero los investigadores colocaron el enfriador cuadrado de 0,4 milímetros entre el chip y el cobre. Al encender el micro-enfriador, enfriaba una región localizadas sobre el chip en alrededor de 15ª C. Venkatsubramanian dice que esto es importante porque en términos generales, por cada cinco grados de aumento de temperatura del chip, hay una merma marcada de confiabilidad y rendimiento del chip. En la demostración, los investigadores sólo utilizaron una unidad de micro-enfriamiento pero prevén usar tres o cuatro por cada chip para cubrir las áreas más calientes.
Sin embargo, el rendimiento ni se acercaba a la cantidad máxima de enfriamiento que es capaz de producir el micro-enfriador cuando no está confinado al soporte del chip. “Nos hemos encontrado con un buen rendimiento, pero todavía existen muchos desafíos”, dice Venkatasubramanian. Cuando los ingenieros colocan el enfriador dentro del formato, hay una cantidad adicional de puntos de contacto donde el enfriador se conecta a la plancha de cobre y a los elementos electrónicos del formato, él agrega. Prasher explica que las características térmicas de estos contactos juegan un rol importante en reducir la eficiencia del enfriador: “En sí (reducir la resistencia de los contactos térmicos), es un área de investigación importante”. Las personas están explorando distintos tipos de soldadura y hasta nanotubos de carbono para reducir la resistencia a la interfaz, él dice, pero el problema todavía está por resolverse.
Al margen de eso, Ali Shakouri, un profesor de ingeniería eléctrica en la University of Califo ia, Santa Cruz, está impresionado por el trabajo hecho hasta ahora. “Es un buen logro. “La idea de que hay una distribución desigual de la temperatura en un microprocesador, y que al enfriar ciertas áreas de forma selectiva puedes mejorarlo y ahorrar energía, es algo que anda dando vueltas hace tiempo, pero no había sido demostrado en un chip”, él dice.
Shakouri hace notar que a medida que la industria de los microprocesadores avanza hacia la utilización de núcleos múltiples o centros de procesamiento sobre un chip, el problema de los puntos de calor va a empeorar, porque las cargas de trabajo pasan de núcleo a núcleo, creando puntos de calor fugaces. Los ventiladores que se usan actualmente en muchos ordenadores, no responden en forma rápida ni efectiva, “Si pudieras ubicar selectivamente a los micro-enfriadores en el chip de núcleos múltiples, podrías reducir el insumo y aumentar el rendimiento, dice él.
Los investigadores no disponen de una cronología para la comercialización. En este momento, aunque se pudiera incorporar el enfriador al formato tradicional del chip, sería prohibitivamente costoso. Venkatasubramanian dice que, después de todo, agregar un enfriador es agregar, esencialmente, una capa completamente nueva de elementos electrónicos al chip. Él dice que si se pueden resolver el coste y la producción a gran escala de estos enfriadores, entonces confía en que llegarán al mercado.